[发明专利]一种基于絮凝动力学的粘性泥沙运动数值模拟方法

说明书

本发明提供一种基于絮凝动力学的粘性泥沙运动数值模拟方法，包括(1)依据河床地形，生成无结构化三角网格，包括主河道以及岸滩部分；(2)根据水流控制方程计算每个网格的水力要素，计算过程中给出上下游边界条件及河道糙率；(3)计算出絮凝后粘性泥沙粒径分布及泥沙沉速的变化情况；(4)得到相应网格的泥沙浓度及河床冲淤变化情况；(5)重复步骤(2)～(4)直到完成整个时段的计算，模拟粘性泥沙整个运动过程，给出河道泥沙场分布及河床冲淤变化。本发明模拟计算粘性泥沙粒径分布变化及不同水动力学条件下的泥沙分布场，解决了粘性泥沙输移模拟中忽视或简化絮凝影响的问题，为粘性泥沙运动的精确模拟提供一种重要的技术手段。

技术领域

本发明涉及一种基于絮凝动力学的粘性泥沙运动数值模拟方法，属于泥沙运动的数值模拟技术领域。

背景技术

天然水体中以悬浮状态广泛存在的粘性泥沙在金属阳离子、水流、有机物等作用下会发生絮凝形成泥沙絮团，粘性泥沙絮凝改变粘性泥沙存在形式、粒径分布、沉降速度，影响着粘性泥沙运动输移特性，因此，粘性泥沙运动输移特性的研究近年来备受关注。

然而，由于粘性泥沙絮凝过程复杂及影响因子众多，现有泥沙运动模型中往往采用忽略或仅仅通过改变沉速简化处理的方式来体现絮凝的影响，这种处理方法一定程度上影响了模型的计算精度，限制了模型的应用。

因此，为了更加准确全面的描述粘性泥沙运动输移状况，亟需建立一种耦合絮凝动力学和传统泥沙动力学的模型系统。

发明内容

本发明是在考虑粘性泥沙絮凝特性的基础上，构建粘性泥沙运动数学模型，模拟计算粘性泥沙粒径分布变化及不同水动力学条件下的泥沙分布场，解决了粘性泥沙输移模拟中忽视或简化絮凝影响的问题，为粘性泥沙运动的精确模拟提供一种重要的技术手段。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明的技术方案：一种基于絮凝动力学的粘性泥沙运动数值模拟方法，所述的数值模拟方法包括如下步骤：

(1)依据河床地形，生成无结构化三角网格，包括主河道以及岸滩部分；

(2)根据水流控制方程计算每个网格的水力要素，包括流量、流速、水位和水深，计算过程中给出上下游边界条件及河道糙率；

(3)利用水力要素计算出水流剪切强度，而后根据絮凝动力学方程，结合所述水流剪切强度和给定的初始泥沙粒径分布及物化性质参数，计算出絮凝后粘性泥沙粒径分布及泥沙沉速的变化情况；

(4)根据上游边界给定的含沙量过程、所述各个网格的水力要素、所述絮凝后粘性泥沙粒径分布及泥沙沉速计算泥沙运动方程和河床变形方程，得到相应网格的泥沙浓度及河床冲淤变化情况；

(5)重复步骤(2)～(4)直到完成整个时段的计算，模拟粘性泥沙整个运动过程，给出河道泥沙场分布及河床冲淤变化。

所述步骤(2)的水流控制方程为平面二维浅水流控制方程组，所述上下游边界条件包括流量和水位过程；平面二维浅水流控制方程组表示为：

式中：x,y为坐标系坐标；t为时间；U_x、U_y分别为x和y轴向水流的平均速度；h为总水深，h＝d+z，其中，d为静止水深，z为水位，g为重力加速度；υ_t为紊动粘性系数；C为谢才系数，C＝1/n·h^(1/6),n为曼宁糙率系数。

所述步骤(3)的絮凝动力学方程为PBM方程，PBM方程为：